电厂磨煤机返料振动流化床分选的床层特性研究及数值模拟

摘要

我国90％以上的燃煤电厂采用煤粉燃烧方式，磨煤制粉系统是其必备环节。去除磨煤机返料中的有害矿物质，对实现燃煤电厂节能减排、提高制粉效率和经济环境效益有重要意义。磨煤机返料中煤与矿物质解离度高，且磨机内部环境高温干燥，为干法分选技术的运用创造了有利条件。本论文以某电厂实际工况下采样得到的磨机返料为研究对象，利用数值模拟与实际试验相结合的方法研究了振动气固流化床分选过程中床层特征参数的变化规律及矿物质脱除机理。
　　通过燃煤电厂磨煤机返料矿物学分析可知：经过多次循环研磨，返料中连生体数量已大大减少，矿物质与煤解离比较完全；返料中含有较多的有害元素如硫、氯、磷、砷、铜、锰、铅等，这些有害元素与燃煤过程造成的各种环境污染密切相关；返料中矿物质种类主要包含高岭石、伊利石等低硬度黏土类矿物，其硬度与煤的硬度相差不大，而黄铁矿和石英等较高硬度矿物含量较少；筛分和浮沉实验分析结果，表明返料的密度分布规律呈“两端多中间少”，易于按密度分选。
　　本论文的数值模拟试验主要采用流体力学软件Fluent14.5，基于欧拉-欧拉方法对振动气固流化床分选燃煤电厂磨机返料的过程进行模拟分析，对振动气固流化床内部流场形态和颗粒运动的动力学行为进行数值计算。通过坐标变换的方法建立了振动力场下颗粒-流体运动的控制方程；按照实际实验装置的尺寸确定了数值模拟的物理模型及网格划分方法；依据模拟物料分选试验结果，确定了最佳振动参数条件为振动频率f=10Hz、振幅A=0.75mm，并设置了数值模拟的其他操作条件和模型参数。将设置好的算例文件提交至曙光5000A高性能计算集群进行计算。通过对模拟试验结果进行后处理数据分析，得到颗粒—流体系统内压力、密度、粘度、浓度等分布信息，分别从床层空隙率、颗粒速度、床层压力、颗粒拟温度、气泡行为特征、颗粒加速度、固相剪切及碰撞粘度、能量耗散率等特性的角度，分析了振动力对磨机返料流态化分选过程的影响规律，并研究了最佳操作条件下床层系统中各物理及动力学参数的特征，揭示了振动力场调控轻重颗粒分离的机理。
　　由实际分选试验可知，振动气固流化床分选磨机返料时，低密度分选效果较差，但用于高密度矿物质脱除时效果明显。利用振动流化床对课题选用的燃煤电厂磨机返料进行矿物质脱除时，脱除率为20.25%，脱除物灰分为75.47%，可燃体回收率为90.33%，由此说明，经分选大量矿物质被脱除，且燃料煤损失很少。由实际分选试验的床层压力频谱分析结果可知，各工况下监测点位置的频谱曲线的主导频率与床层振动频率一致，频谱曲线在低频区域有较多的小矮峰，在高频区域也有一定的杂峰，表明实际分选试验的压力波动趋势及变化规律与数值模拟试验的相一致，说明数值模拟试验结果的可靠性较好，验证了数值模拟试验得出的振动力场调控轻重颗粒流化分离的机理。